基于层次分析法的PCCP混凝土管芯生产质量控制

尚鹏然, 刘桂荣, 王军, 付强军, 裴松伟, 赵顺波

(1.华北水利水电大学 黄河流域水资源高效利用省部共建协同创新中心,河南 郑州 450046;2.华北水利水电大学 河南省生态建材工程国际联合实验室,河南 郑州 450045;3.河南省富臣管业有限公司,河南 新乡 453400)

预应力钢筒混凝土管道(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP)是一种由混凝土、钢筒、预应力钢丝、保护砂浆及防腐涂料组合而成的复合管材[1]。PCCP以钢筒内衬离心成型或薄钢筒内外立式浇筑混凝土形成混凝土管芯,在钢筒外侧或混凝土表面缠绕预应力钢丝,最后以致密的砂浆喷射覆盖钢丝表面形成保护层。钢丝为PCCP提供环向预压应力,钢材处于水泥基材料所提供的高碱性环境中,可防止锈蚀[2]。目前,PCCP已被广泛应用于输水领域[3-4]。

PCCP管芯在承受内水压力的同时也是外部荷载的主要承受部分。因此,制作管芯的混凝土质量直接影响PCCP成品的服役性能。混凝土质量从时间上可分为硬化前及硬化后两个阶段的质量,硬化前的混凝土质量主要取决于原材料质量、配合比的合理性以及施工的规范性;硬化后的质量则更多取决于养护环境与养护措施。混凝土质量控制问题较为复杂,一方面是评价准则不唯一,每个方案指标都可能在某一个评价准则上表现良好,而在另一评价准则上表现较差;另一方面是对于每一个评价准则,影响因素较多,较难直接得出影响因素的最佳排序[5]。这种复杂性使PCCP管芯的成型控制更多依赖于现场技术人员的经验判断。因此,如何确保和提高混凝土管芯的生产质量,是PCCP生产过程中亟待解决的重要问题。

综上所述,需采取更科学有效的方法来降低生产现场因技术人员的经验判断所产生的局限性与负面影响。混凝土质量的现场控制问题可视为多准则决策问题。针对此类问题，国外学者SAATY T L基于矩阵理论提出了层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)，通过建立AHP多准则决策模型,得到了不同准则及对应影响因素的最佳排序[5-6]。但在使用中其可量化的信息有限,专家在采用1～9标度法进行打分时，可能存在非客观判断的情况，进而导致一致性检验结果较差。

为此,以某输水工程的PCCP生产过程为例,其输水管道采用单管埋置式PCCP,总长61.62 km,设计流量13.80 m3/s,管道内径3.2 m,有效长度5.0 m,工作压力0.4 MPa,覆土深度5～8 m,工程等级为Ⅰ等大(Ⅰ)型;管芯混凝土强度等级为C55,水泥、粉煤灰和外加剂货源稳定,货量充足；砂、石骨料生产场地受环境防控影响,部分时段需采用备用料源。基于AHP,通过选取不同评价准则及相应的影响因素,建立了PCCP混凝土管芯质量控制多准则决策模型;依据专家打分,结合Monte Carlo法确定了最终的模型判断矩阵;结合实际生产情况，进一步分析了模型计算所得各准则及相应影响因素排序的合理性，以期为PCCP混凝土管芯质量控制提供科学方法。

1 决策模型

AHP模型的建立步骤一般为:①建立问题层次递阶结构;②构建比较判断矩阵;③进行层次单排序和层次总排序[5]。

1.1 PCCP混凝土管芯生产质量控制

PCCP管芯的成型方式采用立式振捣浇筑,养护方式为蒸汽养护。管芯在缠绕预应力钢丝之前的质量控制以混凝土强度和管壁裂缝为主要依据,并辅以管芯内外壁的外观质量。

1.1.1 混凝土强度

混凝土强度分为脱模强度、缠丝强度和龄期28 d强度。脱模强度满足要求时可进行脱模,缠丝强度决定缠丝工序的开始时间,28 d强度用来判断混凝土是否达到了设计强度等级。结合现场情况,脱模强度可达设计强度的50%～70%(32～45 MPa),符合规范要求(不小于20 MPa)[7];缠丝强度在冬季施工期间强度偏低时,可采取缠丝工序时间后推1～2 d的措施。因此,脱模强度与缠丝强度不作为影响混凝土管芯质量的因素,仅考虑龄期28 d强度。

1.1.2 管壁裂缝

管壁裂缝可分为外壁纵向裂缝、插口端环状裂缝、内壁环状或螺旋状裂缝[8-10]。外壁纵向裂缝多发生于缠丝前,主要由温度应力引起;插口端环状裂缝主要由于缠丝后的结构应力及吊运过程中的应力引起;内壁环状或螺旋状裂缝主要缘于钢筒焊缝处的搭接平台以及存放期间的干燥收缩[8-9]。

1.1.3 管壁外观质量

管壁外观质量主要取决于混凝土拌和物的工作性能(流动性、保水性及黏聚性)。若工作性能差,混凝土管芯成型脱模后表面会出现气孔、水纹等外观缺陷。其一方面会影响PCCP成品验收;另一方面会影响PCCP的内壁粗糙度,进而增大输水过程中的沿程损失[11]。

1.2 PCCP混凝土管芯质量评价准则及相应影响因素的确定

综上所述,PCCP混凝土管芯质量的3个评价标准分别为:①混凝土28 d强度;②管壁外观质量;③管壁裂缝。

对于混凝土28 d强度,施工阶段的影响因素主要为原材料的货源稳定性、浇筑成型方法等。结合工程现场实际情况,选取砂率、砂石骨料含泥量、碎石级配、振动时间等作为影响因素。

对于管壁外观质量,主要考虑对混凝土拌和物工作性能影响较大的因素,选取砂石骨料含泥量、碎石级配、振动时间等作为影响因素。

对于管壁裂缝,混凝土强度不足或管壁外观质量问题均可在一定程度上引发混凝土开裂[9]。此外,由于PCCP管芯混凝土采用蒸汽养护,脱模时如果管芯混凝土与外界环境的温差过大,混凝土将产生温度裂缝[7-9]。因此,脱模温差也被视为主要影响因素。

1.3 建立层次递阶关系结构图

综上所述,结合专家讨论投票,选取砂率、砂石骨料含泥量、碎石级配、振动时间、脱模温差(管芯蒸汽养护脱模时的温度与环境温度的差值)作为影响因素,建立层次递阶关系结构图,如图1所示。

图1 PCCP混凝土管芯质量层次递阶关系结构图

1.4 构建判断矩阵及层次排序

根据1～9标度法打分,对各层级构造比较判断矩阵,确定各影响因素的权重。1～9标度法中各数值的含义见表1。

表1 1～9标度法数值含义

层次排序分为单排序与总排序。单排序指对于准则层的判断矩阵B,计算满足BW=λmaxW的特征值与特征向量。其中,λmax为B的最大特征值,W为相应于λmax的正规化特征向量,即权重。层次总排序在准则层单排序完成的基础上进行。依据准则层的排序结果与影响因素层的各因素重新构造一个新的判断矩阵,综合评价各影响因素的权重,并计算判断矩阵的随机一致性比例CR。其计算公式为:

(1)

(2)

式中:CI表示判断矩阵的一致性指标;RI为不同阶判断矩阵的平均随机一致性指标,根据表2取值[4];n为矩阵B的阶数。

当0≤CR<0.10时,认为判断矩阵具有满意的一致性,否则需要调整判断矩阵,再次重复上述步骤,直至判断矩阵具有满意的一致性为止。CR越接近于0,一致性越强。

表2 判断矩阵的RI取值(1～10阶)

1.5 判断矩阵及排序结果

首先,由专家判断各准则及影响因素间的重要性标度范围,例如矩阵A-B中,B1与B2相比,重要性在5标度以上,那么此时标度值可取为6、7、8、9。因此,初步构造的矩阵具有不唯一性,即在一定范围内会出现各判断矩阵的最终排序结果一致,但矩阵不唯一的情况。

其次,依据专家判断出的各准则及影响因素间的重要性标度范围,基于Monte Carlo法模拟出所有可能的判断矩阵排序结果。最后，遵循以下原则进行筛选，确定最终选用的判断矩阵:①所构建的判断矩阵中各准则或影响因素的影响程度互不相等;②所构建的判断矩阵必须满足一致性检验要求,即CR<0.1,同时为避免完全一致,所构建的判断矩阵一致性比例CR≠0;③在满足前两项原则的基础上,遵循CR取小的原则。

以A-B的判断矩阵为例,按照上述①、②原则,构建A-B的判断矩阵,见表3。由于两种判断矩阵的计算结果中各准则的最终排序一致,此时遵循③原则,选择编号1的矩阵作为A-B的判断矩阵。确定A-B的判断矩阵后,以相同的方式,建立B-C的判断矩阵并进行单排序,结果分别见表4—6,总排序结果见表7。

表3 A-B的判断矩阵及单排序结果

表4 B1-C的判断矩阵及单排序结果

表5 B2-C的判断矩阵及单排序结果

表6 B3-C的判断矩阵及单排序结果

表7 影响因素C层总排序结果

2 结果分析与讨论

2.1 评价准则排序

由表3可知,评价准则B1、B2、B3的权重分别为0.592、0.075、0.333,按其大小对3个准则进行排序为:混凝土28 d强度、管壁裂缝、管壁外观质量，表明混凝土28 d强度对PCCP混凝土管芯质量的影响最大。

混凝土28 d强度为PCCP设计的重要指标,通常以95%保证率的试配强度计算水灰(胶)比。若试配强度不足,成品PCCP管芯将直接报废。

PCCP的插口端环状裂缝以及内壁环状或螺旋状裂缝在生产中尚无根治的措施,只要裂缝宽度在规范要求的限值内,尚允许这两类裂缝的存在[7-9]。此外,这两类裂缝在PCCP通水运行后有自愈合的趋势[15]。管芯外壁纵向裂缝多为温度裂缝,规范GB/T 19685—2017[7]中对于此类裂缝并未有明确规定。现场出现的纵向裂缝均存在于外壁插口端,呈现“上宽下窄”的形态特征,这与南水北调中线工程中管径4 m的PCCP管芯外壁纵向裂缝相似[10]。对管径4 m的纵向裂缝PCCP进行原型外压试验测得的最大裂缝宽度达1.5 mm[16-17],结果表明，管壁纵向裂缝并未显著削弱PCCP的外压承载能力。故管壁裂缝的重要性排在混凝土28 d强度之后是合理的。

管壁外观缺陷体现在气孔、蜂窝麻面等方面,主要影响PCCP成品验收。规范GB/T 19685—2017[7]规定,对于尺寸不大于10 mm的气孔可不做处理,大于10 mm的气孔可进行人工修补。此外,混凝土管壁的缺陷面积不得大于总面积的10%。以管径3.2 m的PCCP为例,其内壁总面积的10%约为5 m2,生产中极少出现管壁缺陷面积为5 m2的情况。故管壁外观质量准则的权重最低。

2.2 影响因素排序

由表7可知5个影响因素按权重从大到小的排序结果为:砂石骨料含泥量、碎石级配、脱模温差、振动时间、砂率。其中,砂石骨料含泥量所占权重最大(0.421),其次是碎石级配与脱模温差的,砂率的最小。

由表6和表7可知,砂石骨料含泥量不仅是混凝土28 d强度准则中的主要影响因素,也是管壁裂缝准则中的主要影响因素(在管壁裂缝准则中权重排第2位)。砂石中的泥粉是指粒径小于0.075 mm的细粉微粒。砂石骨料含泥量在一定程度上抑制减水剂(特别是聚羧酸系减水剂)对水泥的电荷保护作用以及减水分散能力[18-19]。混凝土中的泥粉在吸附水与减水剂的同时也作为一种惰性掺料,当砂石骨料含泥量超过某一限值时会导致混凝土强度降低[20-22]。此外,砂石骨料含泥量对混凝土强度的负面影响在高强度混凝土中更为明显[23]。混凝土强度不足,导致抵抗拉应力的能力不足，易于开裂。因此,应严格控制砂石骨料的含泥量。

碎石级配不合理表现为粒径偏小或偏大。粒径偏小会增大用水量,用水量增加引起水灰比增大进而降低混凝土强度。粒径偏大则易因焊缝(螺旋焊)处混凝土沉降形成富集水区域,导致插口端与钢筒螺旋焊缝之间的混凝土骨浆分离,造成强度不均匀；同时，也为后续干燥收缩引起管壁环状或螺旋状裂缝提供了条件[8]。

脱模温差是混凝土管芯外壁开裂的主要影响因素,现场出现的裂缝多由此产生,且管芯外壁纵裂现象集中于发生冬季施工期间。现场蒸汽养护恒温段温度为52℃,脱模后管芯外壁表面实测温度可达40 ℃～50 ℃,而管芯外壁混凝土内部的温度更高,混凝土内、外温度差ΔT最大可达12 ℃[24]。根据规范GB 50010—2010[25],取混凝土线膨胀系数lc为1×10-5/℃,可计算管芯外壁混凝土内、外温差产生的最大温度应变εT为:εT=lcΔT=120×10-6。此时混凝土极限拉应变约为100×10-6,容易因混凝土的抗拉能力不足而导致开裂。此外,管芯缠丝前采取立式存放,管芯外壁直接接触外部环境,而管芯内壁仅在顶部插口端接触外部环境,承口端直接接触地面。外壁混凝土的散热速率远大于内壁混凝土的,进一步增大了混凝土管芯开裂的风险。因此,为避免拆模时出现裂缝,控制混凝土管芯内、外温差十分必要。

振动时间主要影响混凝土的外观质量。同一工作性能的混凝土拌和物,振捣时间短,混凝土基体密实度不足;过度振动则会增大泌水、离析的风险。因此,振动时间存在一个合理范围,在该范围内能保证混凝土拌和物密实又不会出现水纹等外观缺陷。

砂率的调整是为了改善混凝土拌和物的工作性能,进而改善管壁外观质量。在实际生产过程中,若出现原材料波动(如粗细骨料粒径变化等)的情况,可以通过调整砂率的方式改善拌和物的工作性能。但对于直接影响强度的水灰(胶)比、用水量以及胶凝材料用量严禁随意更改。由于其仅作为工作性能调整的手段,故权重最低。

综上所述,根据AHP多决策模型计算结果,若PCCP混凝土管芯出现强度问题,应首先检查现场砂石骨料的含泥量和级配是否合理;若出现管壁纵向裂缝问题,应立即检查施工记录,确定脱模温差是否过大;若出现管壁外观质量问题,应重点检查浇筑施工记录,检查振捣时间是否合理。

3 实际现场控制

PCCP生产现场出现了管壁纵裂以及管壁外观问题,依据AHP模型的计算结果对不同问题采取相应措施。

3.1 管壁纵裂问题

PCCP在生产过程中出现了混凝土管芯外壁纵裂的现象,如图2所示。由图2可知,纵向裂缝均始于插口端,向下延伸,呈现“上宽下窄”的形态特征。统计生产中的裂管情况见表8。由表8可知:管芯裂缝在2020年11月份的出现频次最多。

图2 PCCP混凝土管芯外壁纵裂

表8 裂管统计情况

据现场提供的施工记录,裂缝多在脱模前就已发生,且裂缝管的蒸汽养护环境与正常管芯的一致。由AHP模型的计算结果可知,脱模温差是管芯外壁纵裂的主要影响因素。因此,统计了生产期间的月平均温度,如图3所示。

图3 PCCP生产期间各月份温度

由图3可知,2020年11月份时最低温度仅为5 ℃,混凝土管芯蒸养结束脱模时的表面温度与环境温差超过30 ℃。因此,从2020年12月份开始,除在现场采取拌和水加热、预热骨料等措施外,增加了以下措施:①增加管芯养护前的静停时间;②适当减少管芯浇筑的数量,延长管芯的降温时间;③严禁在管芯降温过程中去除蒸养罩;④当插口端的浮浆过厚时,采取人工抛石等方式处理。通过采取以上措施,实现了冬季施工期平缓过渡到升温期的目标,裂管数量得到了控制。2021年2月份以后,随着环境温度逐渐回升,纵裂问题逐渐得到了解决。

3.2 管壁外观问题

在生产过程中,某段时间内天然河砂的级配质量出现较大波动,采用了级配偏粗的河砂。实际浇筑时出现了插口端收口困难的情况,脱模后管壁出现大量气孔,如图4所示。

图4 管壁气孔

针对此类问题,由实验室提供的检测记录可知,砂的细度模数达到了3.0～3.2,且4.75 mm以上的颗粒含量较多,而原有配比使用的砂细度模数为2.6～2.8，应在原有配比不变的情况下,减少浆体量,增多骨料。因此,施工现场采取了增大砂率的调整方法。但该方法引发了管芯水纹的外观质量问题,如图5所示。

图5 管壁水纹

根据AHP模型的计算结果可知,管壁外观质量的首要影响因素是混凝土振动时间。以往管芯模具振动器开启后持续工作至混凝土浇筑完毕,因管芯采用立式浇筑,上下部混凝土振动时间不同,调整砂率后增大了混凝土的浆体量,导致出现底部水纹、顶部气孔的现象。因此,采取了如下措施:①浇筑时控制下料速度为6～8 min/罐;②振动器随着混凝土高度的变化分上、中、下3层逐层振动,每层振动时间控制在10～15 min,严禁过度振动;③严格控制内外壁混凝土的高度差。通过采取以上措施,保证了现场混凝土管芯的外观质量。

4 结语

本文借助AHP,从混凝土28 d 强度、管壁外观质量、管壁裂缝3个准则层出发,选取了砂率、砂石骨料含泥量、碎石级配、振动时间、脱模温差5个影响因素,建立了PCCP混凝土管芯质量控制多准则决策模型,计算了各影响因素的权重,并结合某输水工程,分析了PCCP混凝土管芯生产过程中出现的管壁裂缝及管壁外观问题的原因,基于决策模型的计算结果提出了相应的解决措施,得出以下结论:

1)针对判断矩阵构建时存在的不唯一的情况，提出了相应的筛选原则,减少了AHP使用的不确定性。经对比,AHP计算结果满足一致性检验要求,各评价指标的权重排序合理,符合工程实际。

2)PCCP混凝土管芯质量主要受混凝土28 d强度、管壁外观质量和管壁裂缝的影响;混凝土28 d强度为管芯质量的主要控制指标,管壁裂缝为次要控制指标,管壁外观质量的影响最小。

3)AHP是一种可避免单凭经验进行处理的多准则决策方法,可用于混凝土管芯的质量控制和其他相关领域。